JP2006130454A - Optically trapping device and its method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノ・ミクロンオーダの微小物体のマニピュレーション技術における光トラップ装置及びその方法に関わり、特にナノ・ミクロンオーダの微小物体の堆積による加工・組立技術に適用して好適なものである。 The present invention relates to an optical trap apparatus and a method thereof in a nano-micron order minute object manipulation technique, and is particularly suitable for application to a processing / assembly technique based on deposition of nano-micron order minute objects.
近年、微細試料を扱う理化学、工学分野における各種試験や分析工程において、試料中の微小物体(例えば、金属、誘電体微粒子、微生物や動植物細胞)の中から特定の微小物体を捕捉し、任意の場所へ移動、操作するために、光トラップ技術を使用することが知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。
特許文献1には、光トラップ用の光束の光束幅を絞るための可変絞りを光路中に備えることにより、微細物体の捕捉・開放を上記可変絞りの絞り量を変化させることにより制御でき、光ピンセットによる微細物体の捕捉や移動等の操作を効率よく行うことができる微細物体の操作装置に関する技術が提案されている。
また特許文献2には、先端部に先球テーパ形状を成す構造とした光ファイバ、もしくはコアに分布型屈折率構造を有する光ファイバからの射出光を用いることにより、微小物体の光トラップを可能とする光ピンセットに関する技術が提案されている。
また、射出光の集光を可能とする構造を有する光ファイバプローブを備えることにより、近接場光による高分解能測定に加え、上記射出光(伝搬光)による広範囲測定を実現する光ファイバプローブ、光検出装置及び方法も研究されている。
この光トラップ技術は集光された光の光圧力によって微小物体を集光スポット位置近傍に捕捉するものである。この捕捉方法により、非接触で微小物体を一定位置に捕捉することができる。また、集光スポットを移動させることにより捕捉した微小物体を試料中の任意の位置に移動させることも可能である。
この光トラップ装置をなす光学系として一般的な構成は、例えば、特許文献1に記載されているような、対物レンズから射出された光を用いてトラップする構成である。例えば、誘電体微粒子を捕捉対象とした光トラップ装置の場合、微粒子に入射する屈折光からの光圧力の授受により微粒子がトラップされる。高NAの対物レンズから射出された光を用いることにより、強い光圧力を得ることができる。
しかしながら、対物レンズを用いた光学系は、構成が複雑である上、アライメント調整が難しい。また、高いNA(0.6以上)を有する対物レンズでは、一般にワーキングディスタンスが1mm以下となるが、直径が少なくとも数mm以上ある対物レンズを試料に近接させなければならず、試料を配置するスペースも、それに見合った大きいサイズとする必要がある。
数mm以上ある試料中から、数μm〜数nmサイズである目的の粒子を見つけ出すことは容易ではない。これらのことが、作業をより煩雑なものとする要因となっていた。
そこで、上記したような点も含め、対物レンズを用いた光学系による光トラップ装置の短所を回避する装置として、光ファイバの端面からの射出光を利用した光トラップ装置が特許文献2により提案されている。
特許文献2では、光を射出する光ファイバの端面に先球テーパ形状を形成すること、あるいは、コアに分布型屈折率構造を有する光ファイバを用いることにより、射出光を集光させ集光スポット近傍での微小物体の捕捉を可能としている。
In
Further, Patent Document 2 enables optical trapping of minute objects by using light emitted from an optical fiber having a tip-shaped tapered structure at the tip or an optical fiber having a distributed refractive index structure at the core. A technology related to optical tweezers has been proposed.
In addition to the high-resolution measurement using near-field light, by providing an optical fiber probe having a structure that allows the emission light to be collected, an optical fiber probe that realizes a wide range measurement using the emission light (propagation light), optical Detection devices and methods are also being studied.
This optical trap technology captures a minute object in the vicinity of a focused spot position by the optical pressure of the collected light. By this capturing method, a minute object can be captured at a fixed position without contact. It is also possible to move the captured fine object to an arbitrary position in the sample by moving the focused spot.
A general configuration as an optical system constituting the optical trap device is a configuration for trapping light emitted from an objective lens as described in
However, an optical system using an objective lens has a complicated structure and alignment adjustment is difficult. In addition, an objective lens having a high NA (0.6 or more) generally has a working distance of 1 mm or less, but an objective lens having a diameter of at least several mm must be brought close to the sample, and a space for arranging the sample. However, it is necessary to make it large size corresponding to it.
It is not easy to find a target particle having a size of several μm to several nm from a sample of several mm or more. These are factors that make the work more complicated.
Therefore, Patent Document 2 proposes an optical trap device that uses light emitted from the end face of an optical fiber as a device that avoids the disadvantages of an optical trap device using an optical system that uses an objective lens, including the above points. ing.
In Patent Document 2, a condensing spot is formed by condensing the emitted light by forming a tapered tip on the end face of the optical fiber that emits light, or by using an optical fiber having a distributed refractive index structure in the core. Capturing of minute objects in the vicinity is possible.
しかしながら、先端に先球テーパ形状を形成した光ファイバでは、先端部が球形状をなすことでレンズ効果を得ることができるが作製が困難である。また、分布型屈折率構造を有するファイバを用いた装置においても同様に、作製時の屈折率分布の制御が難しく、所望の集光性能を得ることが難しい。
さらに、光トラップ装置においては、操作後の微小物体の位置を確認することが必要になるが、一般に用いられている光学顕微鏡観察では昨今の操作対象の微細化に伴い分解能が不足しつつある。
特に、操作対象となる微小物体がナノオーダである場合には、位置を確認できない問題が生じていた。
そこで、本発明は、上記した点を鑑みてなされたものであり、作製が容易で、しかも簡便な構成により、微小物体の光トラップ、操作、及び操作後の微小物体位置の観察を可能とする光トラップ装置と、その方法を提供することにある。
However, in an optical fiber having a tip tapered shape at the tip, the lens effect can be obtained by making the tip into a spherical shape, but it is difficult to manufacture. Similarly, in an apparatus using a fiber having a distributed refractive index structure, it is difficult to control the refractive index distribution at the time of manufacture, and it is difficult to obtain a desired light collecting performance.
Furthermore, in the optical trap device, it is necessary to confirm the position of the minute object after the operation. However, in the observation with a generally used optical microscope, the resolution is becoming insufficient with the recent miniaturization of the operation target.
In particular, when the minute object to be operated is in the nano-order, there has been a problem that the position cannot be confirmed.
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described points, and is easy to fabricate and enables a light trap of a minute object, operation, and observation of the position of the minute object after the operation with a simple configuration. It is to provide an optical trap device and a method thereof.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、光を射出する光源と、該光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバと、前記コアの先端に光を射出する光プローブが形成された光ファイバプローブと、微小物体を配置するための試料盤と、該試料盤を前記光ファイバプローブに対して相対移動させる移動手段と、を備えた光トラップ装置において、前記光ファイバプローブが円錐形状を成し、且つ、前記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する前記光ファイバプローブの一部の表面あるいは全面における法線の傾斜角が、前記伝搬光の全反射角未満で且つ0度より大きい光トラップ装置を特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、前記光プローブから前記試料盤に射出された光を検出する検出手段を備えている請求項1記載の光トラップ装置を特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、前記射出された光による光スポットの大きさが所望の値となるように、前記光源から射出される光の波長を制御する波長制御手段をさらに備える請求項1記載の光トラップ装置を特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、光源から光を射出し、円錐形状をなし、且つ、光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する光プローブの一部の表面あるいは全面における法線の傾斜角が、伝搬光の全反射角未満に形成されている光ファイバプローブのコアに上記射出された光を伝搬させ、前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが試料盤上に配置された微小物体の近傍に形成されるように、前記光ファイバプローブを被測定面に対して近接離間する方向へ相対移動させることにより前記微小物体を捕捉して、前記光ファイバプローブを前記試料盤に対して水平方向に相対移動させることにより、前記微小物体を前記試料盤に対して相対移動させる光トラップ方法を特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、前記光源から出射される光の波長を、前記光スポットの大きさに基づいて決定された波長に制御する請求項4記載の光トラップ方法を特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
The invention according to claim 2 is characterized by the optical trap device according to
The invention according to
The invention according to claim 4 is characterized in that light is emitted from a light source, has a conical shape, and a normal is inclined on the surface or the entire surface of a part of the optical probe with respect to the optical axis of propagating light propagating through an optical fiber. A minute object in which the emitted light is propagated to the core of an optical fiber probe whose angle is less than the total reflection angle of the propagating light, and spots based on the propagating light propagated through the core are arranged on the sample plate The optical fiber probe is moved relative to the surface to be measured so as to be close to and away from the surface to be measured so that the minute object is captured, and the optical fiber probe is placed horizontally with respect to the sample plate. It is characterized by an optical trap method in which the minute object is relatively moved with respect to the sample plate by being relatively moved in the direction.
The invention according to claim 5 is characterized in that the wavelength of light emitted from the light source is controlled to a wavelength determined based on the size of the light spot. .
また、請求項6に記載の発明は、光を射出する光源と、該光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバと、前記コア先端に光を射出する光プローブが形成され、該光プローブが遮光性被覆層で被覆された光ファイバプローブと、微小物体を配置するための試料盤と、該試料盤を前記光ファイバプローブに対して相対移動させる移動手段と、を備えた光トラップ装置において、前記光ファイバプローブが円錐形状を成し、且つ、前記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する前記光ファイバプローブの一部の表面あるいは全面における法線の傾斜角が、前記伝搬光の全反射角未満で且つ0度より大きい光トラップ装置を特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、前記光ファイバプローブから前記試料盤に射出された光を検出する検出手段を備えている請求項6記載の光トラップ装置を特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、前記遮光性被覆層の光透過率を最大値、あるいはその近傍の値とする波長になるように、前記光源から射出される光の波長を制御する波長制御手段をさらに備える請求項6記載の光トラップ装置を特徴とする。
また、請求項9に記載の発明は、前記遮光性被覆層の材質が、金である請求項6記載の光トラップ装置を特徴とする。
また、請求項10に記載の発明は、光源から光を射出し、円錐形状をなし、かつ、上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する光プローブの一部の表面あるいは全面における法線の傾斜角が、前記伝搬光の全反射角未満且つ0度より大きい角度に形成されて成る光ファイバプローブのコアに前記射出された光を伝搬させ、前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが前記試料盤上に配置された微小物体の近傍に形成されるように、前記光ファイバプローブを被測定面に対して近接離間する方向へ相対移動させることにより、前記微小物体を捕捉して、前記光ファイバプローブを前記試料盤に対して水平方向に相対移動させることにより、前記微小物体を前記試料盤に対して相対移動させる光トラップ方法を特徴とする。
また、請求項11に記載の発明は、波長制御手段により制御された光の波長を、遮光性被覆層の光透過率を最大値、あるいはその近傍の値とする波長とする請求項10記載の光トラップ方法を特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, a light source for emitting light, an optical fiber having a core for propagating light emitted from the light source, and an optical probe for emitting light to the tip of the core are formed. An optical trap comprising: an optical fiber probe in which an optical probe is coated with a light-shielding coating layer; a sample plate for placing a minute object; and a moving means for moving the sample plate relative to the optical fiber probe. In the apparatus, the optical fiber probe has a conical shape, and the inclination angle of the normal line on the surface or the entire surface of a part of the optical fiber probe with respect to the optical axis of the propagating light propagating through the optical fiber is the propagation light. An optical trap device having a total reflection angle of less than 0 degree and greater than 0 degree.
The invention according to claim 7 is characterized in that the optical trap device according to claim 6 further comprises detection means for detecting light emitted from the optical fiber probe onto the sample plate.
The invention according to claim 8 is a wavelength for controlling the wavelength of light emitted from the light source so that the light transmittance of the light-shielding coating layer has a maximum value or a wavelength in the vicinity thereof. The optical trap device according to claim 6, further comprising a control means.
The invention according to claim 9 is the optical trap device according to claim 6, wherein the material of the light-shielding coating layer is gold.
The invention according to claim 10 emits light from a light source, has a conical shape, and has a normal line on a part of the surface or the entire surface of the optical probe with respect to the optical axis of propagating light propagating through the optical fiber. The emitted light is propagated to the core of an optical fiber probe formed with an inclination angle less than the total reflection angle of the propagating light and larger than 0 degrees, and the spot based on the propagating light propagated through the core is the spot By moving the optical fiber probe in the direction of approaching and separating from the surface to be measured so as to be formed in the vicinity of the minute object arranged on the sample plate, the minute object is captured and the light The optical trap method is characterized in that the micro object is moved relative to the sample plate by moving the fiber probe relative to the sample plate in the horizontal direction.
In the invention described in
本発明によれば、テーパ構造で射出光の集光スポット形成が可能な光ファイバプローブを用いるようにしたことで、作製が容易でしかも簡便な構成により、微小物体の光トラップ操作を可能とする光トラップ装置を提供することができるようになる。 According to the present invention, since an optical fiber probe capable of forming a condensed spot of emitted light with a tapered structure is used, it is easy to manufacture and enables a light trap operation of a minute object with a simple configuration. An optical trap device can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明による光ファイバプローブを含んでいる光トラップ装置の第1の実施形態を示す概略図である。図2は図1に示した光ファイバプローブの突出部の形状について説明する拡大図である。
図1及び図2を参照して、本実施の形態の光トラップ装置である光検出装置の概要、及び操作過程を説明する。
図1に示す光検出装置1は、例えば液中に分散している微粒子の数nm〜数百μmの範囲にわたる操作、移動を行うマニピュレーション装置等に適用される。
この図1に示す光検出装置1は、光を射出する光源2と、この光源2から射出された光の光路中に配置された偏光ビームスプリッタ3と、この偏光ビームスプリッタ3を透過した光の光路中に配置された1/4波長板8を通過した光を集光して、試料盤14上に配置された分散液16中における微粒子15に照射する光ファイバプローブ4と、試料盤14からの戻り光を検出する光検出器5とを備えている。
光源2は図示してない電源装置を介して受給した駆動電源に基づき光を発振する。出力制御部7では、微粒子の操作時と、後述する光学像検出時の出力切り換えを行う。
次に、微粒子の捕捉方法について説明する。光源2から発振した光は図示してないレンズでコリメートされ、偏光ビームスプリッタ3、1/4波長板8を透過し、図示してない集光レンズを経て、先端を純水(分散液)16に浸された光ファイバプローブ4に入射する。
光ファイバプローブ4の突出部11から射出された光により、媒質中に分散している微粒子15を捕捉する。微粒子15の材質は例えば、シリカ、金、概寸法の例としては直径数十nm〜数μmである。
捕捉の際には、突出部11から射出された光の集光位置、すなわち光強度が最も高くなる位置を微粒子15の中心に配置するように、光ファイバプローブ4を試料盤14に対して近接離間させる方向に移動させる。この際に必要となる光ファイバプローブ4の先端と、集光位置間の距離の情報については、予め実験等にて取得しておく。
上記移動は光ファイバプローブ4に装着されたプローブ制御部6により行う。
プローブ制御部6は、例えば3軸アクチュエータ等により構成され、光ファイバプローブ4を試料盤14に対して近接離間させる方向及び水平方向に移動させることができる。
なお、プローブ制御部6は、光ファイバプローブ4を試料盤14に対して近接離間する方向に移動させる代わりに、試料盤14を光ファイバプローブ4に近接離間する方向へ移動させても良い。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment of an optical trap device including an optical fiber probe according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged view for explaining the shape of the protruding portion of the optical fiber probe shown in FIG.
With reference to FIG.1 and FIG.2, the outline | summary of the photon detection apparatus which is an optical trap apparatus of this Embodiment, and an operation process are demonstrated.
The
1 includes a light source 2 that emits light, a
The light source 2 oscillates light based on drive power received via a power supply device (not shown). The output control unit 7 performs output switching when the microparticles are manipulated and when an optical image is detected, which will be described later.
Next, a method for capturing fine particles will be described. The light oscillated from the light source 2 is collimated by a lens (not shown), passes through the
The
At the time of capturing, the optical fiber probe 4 is brought close to the
The above movement is performed by a probe control unit 6 attached to the optical fiber probe 4.
The probe control unit 6 is configured by, for example, a triaxial actuator or the like, and can move the optical fiber probe 4 in the direction in which the optical fiber probe 4 is moved closer to and away from the
Note that the probe controller 6 may move the
次に、光ファイバプローブ4の構成について説明する。
光ファイバプローブ4は、光導波部10と、突出部11とを備えている。光導波部10は、コア12の周囲にクラッド13が設けられた光ファイバにて構成される。
コア12及びクラッド13は、それぞれ二酸化シリコン系ガラスからなり、ゲルマニウム、リン等を添加することにより、コア12よりもクラッド13の屈折率が低くなるように組織制御されている。
突出部11は光導波部10の一端においてクラッド13から突出させたコア部分9にて構成されている。この突出させたコア部分9は、図1に示すように先端に至るまで徐々に先細りになるような勾配が設けられている円錐形状となっている。因みに、この円錐形状は、化学エッチングなどにより容易に作製できる。
図1における光ファイバプローブ4の拡大図を図2に示す。図2に基づき、光ファイバプローブ4の突出部11の形状について説明する。コア12内を伝搬する光18(以下、伝搬光)は、光ファイバプローブ4に達した後、突出部11を介して光ファイバプローブ4外に射出される。
本実施の形態では、光ファイバプローブ4の表面、つまり突出コア部分9の表面は、円錐テーパ形状であり、このコア部分9の表面の法線20と伝搬光の光軸21とのなす角θ(以下、傾斜角θ)が伝搬光18における全反射角未満且つ0度より大きい角度となるような形状としている。
これにより、光ファイバプローブ4に入射した伝搬光18の大部分が屈折光として光ファイバプローブ4の外部に射出され、射出された光は、光ファイバプローブ4の先端から数百nm〜数μm程度離れた位置で集光し、高い光強度を有する光スポットを形成することになる。
光ファイバプローブ4の先端から離れた位置で集光し、高い光強度を有する光スポットを形成する現象は、傾斜角θが伝搬光18における全反射角未満且つ0度より大きい角度である場合の固有の現象である。
従来の傾斜角θが全反射角以上に形成されていた光ファイバプローブにおいては、光強度が光ファイバプローブの先端部近傍で最も高く、光ファイバプローブ先端から離れるにつれて光強度は急速に低下し、光強度の低い光スポットしか形成し得ないものであった。
これに対して、本実施の形態のように、傾斜角θが全反射角未満となるように形成すれば、光ファイバプローブ4の先端から数百nm〜数μm程度離れた位置で集光し、高い光強度を有する光スポットを形成することができるようになる。
Next, the configuration of the optical fiber probe 4 will be described.
The optical fiber probe 4 includes an
The
The protruding
An enlarged view of the optical fiber probe 4 in FIG. 1 is shown in FIG. Based on FIG. 2, the shape of the
In the present embodiment, the surface of the optical fiber probe 4, that is, the surface of the protruding core portion 9 has a conical taper shape, and the angle θ formed by the normal 20 of the surface of the core portion 9 and the optical axis 21 of the propagating light. (Hereinafter, the inclination angle θ) has a shape that is less than the total reflection angle in
Thereby, most of the
The phenomenon in which light is collected at a position away from the tip of the optical fiber probe 4 to form a light spot having a high light intensity is the case where the inclination angle θ is less than the total reflection angle in
In the conventional optical fiber probe in which the tilt angle θ is formed to be equal to or greater than the total reflection angle, the light intensity is highest near the tip of the optical fiber probe, and the light intensity rapidly decreases as the distance from the tip of the optical fiber probe increases. Only light spots with low light intensity could be formed.
On the other hand, if the inclination angle θ is formed to be less than the total reflection angle as in the present embodiment, the light is condensed at a position separated from the tip of the optical fiber probe 4 by several hundred nm to several μm. Thus, a light spot having a high light intensity can be formed.
次に、本実施の形態の光検出装置1を利用した微粒子の位置の光学像観察方法について説明する。
図1に示した出力制御部7により、光源2から光学像検出時用に出力を調整した上で光を発振する。ここで、出力制御部7により切り換えが行われる出力値は、微粒子操作(捕捉)時には数mW〜数百mW、光学像検出時には数十μm〜数百μm程度とする。光学像検出時には、上記の微弱光による光スポットを試料盤14上に発生させることで、微粒子を捕捉せずに像検出を行う。
発振された光は、上述した微粒子を捕捉する際と同様、偏光ビームスプリッタ3を透過し、1/4波長板8へ入射される。1/4波長板8を通過した光は円偏光となり、光ファイバプローブ4のコア12を透過して突出部11から試料盤14へ射出される。
上記射出された光は試料盤14で反射して光ファイバプローブ4へ戻る。この光は再び1/4波長板8を通過し、光源2から射出された光の偏光方向と異なる直線偏光となり、再び偏光ビームスプリッタ3に入射する。
この入射光は、1/4波長板8を透過する過程で偏光方向が異なっているため、偏光ビームスプリッタ3で反射され、光検出器5へ導かれる。
なお、先に説明した素粒子を捕捉する場合の光学系においては、偏光ビームスプリッタ3の代替として通常のビームスプリッタを用いても良い。
光検出器5は、試料盤14からの戻り光を受光して光電変換することにより、輝度信号を生成できる。先に示したプローブ制御部6により、光ファイバプローブ4を試料盤14に対して水平方向に走査させながら、輝度信号を生成することで、上記走査範囲の輝度信号画像が得られる。
この光検出器5により生成された輝度信号を基に作成した画像は、図示してない表示装置上に表示される。ユーザは、図示してない表示装置上に表示される画像に基づき、試料盤14上の光学像を観察することができる。この際に光学像から微粒子の位置も確認できる。
また、この光学像観察時には、光波長変換部17における、光源2から射出される光の波長の切り換えにより、先に述べた光スポットのスポット径を変化させることができる。
Next, a method for observing the optical image of the position of the fine particles using the
The output control unit 7 shown in FIG. 1 oscillates light after adjusting the output from the light source 2 for optical image detection. Here, the output value switched by the output control unit 7 is set to several mW to several hundred mW when the fine particle is manipulated (captured), and is set to several tens μm to several hundred μm when the optical image is detected. At the time of optical image detection, the light spot by the above-mentioned weak light is generated on the
The oscillated light passes through the
The emitted light is reflected by the
Since this incident light has different polarization directions in the process of passing through the quarter-wave plate 8, it is reflected by the
In the optical system for capturing elementary particles described above, a normal beam splitter may be used as an alternative to the
The photodetector 5 can generate a luminance signal by receiving and photoelectrically converting the return light from the
An image created based on the luminance signal generated by the photodetector 5 is displayed on a display device (not shown). The user can observe an optical image on the
Further, when the optical image is observed, the spot diameter of the light spot described above can be changed by switching the wavelength of the light emitted from the light source 2 in the light
図3は伝搬光の波長を変化させた際の集光位置における光スポット径の推移を示した図であり、この図3には伝搬光の波長を変化させた際の集光位置における光スポット径の推移例が示されている。実際には必要な観察分解能に合わせて、図3を基に光源2から射出される光波長を選択する。
図3においては、スポット幅はサブミクロンオーダであるため、従来の光学顕微鏡による観察と比較し高分解能な観察ができる。上述の構成、及び操作方法により、微粒子の操作、試料面の光学像観察が可能になる。
図4は本発明による光ファイバプローブを含んでいる光トラップ装置の第2の実施形態を示す概略図である。図4を参照して、第2の実施形態の光トラップ装置における概要及び操作過程を説明する。
この図示す光トラップ装置である光検出装置30は、光ファイバプローブ4が遮光性被覆層19で被覆されている点が、図1に示した光検出装置1と異なるものとされる。
このようなに構成される光検出装置30においても光ファイバプローブ4を備えることにより、試料盤14の近接場光学像観察を可能としている。
また、光波長変換部17により、遮光性被覆層19に合わせた光波長の射出光を光源2から射出することにより、エネルギロスの少ない微粒子の捕捉ができる。微粒子の捕捉方法については、光源2からの射出光の光波長を下記条件に基づいて制御することを除けば、第1の実施の形態において説明した内容と同一である。
微粒子捕捉時の光源2からの射出光波長に関して、遮光性被覆層19の複素屈折率の分散特性を考慮し、光透過率を最大値、あるいはその近傍の値とする波長を選択することで、光ファイバプローブ4から射出される光の光強度を向上させることができる。制御は先に示した光波長変換部17により行う。
図5は光透過率分布を示した図である。
一般に光透過率分布は、図5に示すように凸形状をなしている。ここで、光透過率を最大値の近傍の値とする波長とは、光透過率が最大値T0の1/2の値(T1)を採る際の波長をλ11、λ12とした場合の、波長λ11以上λ12以下の波長帯(図5における斜線部)に収まる波長のことをいう。例えば、金(Au)の場合には、480〜700nm程度の波長帯に収まる波長の光を選択することが望ましい。
FIG. 3 is a diagram showing the transition of the light spot diameter at the condensing position when the wavelength of the propagating light is changed. FIG. 3 shows the light spot at the condensing position when the wavelength of the propagating light is changed. A transition example of the diameter is shown. Actually, the light wavelength emitted from the light source 2 is selected based on FIG. 3 in accordance with the required observation resolution.
In FIG. 3, since the spot width is on the order of submicron, high-resolution observation can be performed as compared with observation using a conventional optical microscope. With the above-described configuration and operation method, it is possible to manipulate fine particles and observe an optical image of the sample surface.
FIG. 4 is a schematic view showing a second embodiment of an optical trap device including an optical fiber probe according to the present invention. With reference to FIG. 4, the outline | summary and the operation process in the optical trap apparatus of 2nd Embodiment are demonstrated.
The
Even in the
Further, the light
Regarding the wavelength of light emitted from the light source 2 at the time of capturing the fine particles, considering the dispersion characteristics of the complex refractive index of the light-shielding
FIG. 5 is a diagram showing a light transmittance distribution.
In general, the light transmittance distribution has a convex shape as shown in FIG. Here, the wavelength at which the light transmittance is a value in the vicinity of the maximum value means that the wavelengths when the light transmittance takes a value (T 1 ) that is ½ of the maximum value T 0 are λ 11 and λ 12 . In this case, the wavelength falls within the wavelength band (shaded area in FIG. 5) between the wavelengths λ 11 and λ 12 . For example, in the case of gold (Au), it is desirable to select light having a wavelength that falls within a wavelength band of about 480 to 700 nm.
次に、試料盤14の近接場光学像観察の構成及び動作を説明する。
光源2から射出された直線偏光成分を有する光は、偏光ビームスプリッタ3を透過し、1/4波長板8により偏光成分を制御された上で、光ファイバプローブ4へ入射される。光ファイバプローブ4に入射された光は、そのままコア12内を伝搬され、光ファイバプローブ4の遮光性被覆層19に入射される。このとき、遮光性被覆層19の射出端側にエバネッセント波としての近接場光が滲出する。近接場光が滲出している状態で、プローブ制御部6により、光ファイバプローブ4を試料盤14に対し近接する方向に移動させる。
このとき、光ファイバプローブ4の先端と試料盤14との距離が、光源2から射出される光の波長λの1/4以下となる場合において、光ファイバプローブ4から滲出した近接場光が試料盤14上に照射され、試料盤14上には近接場光による微小な光スポットが形成される。光スポットを形成した近接場光は、遮光性被覆層19を透過してコア12を経て光検出器5に導かれる。
光検出器5は、試料盤14からの戻り光を受光し光電変換することにより、輝度信号を生成できる。先に示したプローブ制御部6により、光ファイバプローブ4を試料盤14に対して水平方向に走査させながら、輝度信号を生成することで、上記走査範囲の輝度信号画像が得られる。
この光検出器5により生成された輝度信号を基に作成した画像は、図示してない表示装置上に表示される。ユーザは、図示してない表示装置上に表示される画像に基づき、試料盤14上の光学像を観察することができる。この際に光学像から微粒子の位置も確認できる。
このようにして、試料盤14の近接場光学像観察を行うと、先の第1の実施形態に示した方法と比較して、より高分解能な像観察ができるため、操作対象物寸法が微小な場合、特に数nm〜数十nmオーダの場合に適した構成であると言える。
ここで、遮光性被覆層19は、如何なる材質であってもよいが、表面プラズモンによる近接場光の増強効果が得られること、及び化学的安定性に優れていることからAu薄膜とすることが望ましい。Au薄膜の場合、光源2から射出される波長を選択することで、近接場光の増強効果が得られ、結果として近接場光発生効率、及びS/N比の向上を図ることができる。
一般に近接場光増強効果が顕著に現れる波長としては、例えば、Auにおいては500〜600nm程度である。
Next, the configuration and operation of the near-field optical image observation of the
Light having a linearly polarized light component emitted from the light source 2 passes through the
At this time, when the distance between the tip of the optical fiber probe 4 and the
The photodetector 5 can generate a luminance signal by receiving and photoelectrically converting the return light from the
An image created based on the luminance signal generated by the photodetector 5 is displayed on a display device (not shown). The user can observe an optical image on the
In this way, when the near-field optical image observation of the
Here, the light-shielding
In general, the wavelength at which the near-field light enhancement effect appears remarkably is, for example, about 500 to 600 nm in Au.
上述したように、本実施の形態の光検出装置1(30)によれば、試料に照射された光を検出できる構成をさらに備えることにより、微小物体の光トラップ、操作後の微小物体位置の観察を可能とする光トラップ装置を提供することができる。
また、光ファイバプローブに入射する光の波長を制御する波長制御手段を備え、光スポット径を変化させることで、適切な測定分解能での微小物体位置の観察を可能とする光トラップ装置を提供することができる。
さらに、光ファイバプローブに入射する光の波長の制御、及び試料に照射された光の検出を行うことにより、微小物体の光トラップ、操作後の微小物体位置の高分解能観察を可能とする光トラップ方法を提供することが可能である。
テーパ構造で射出光の集光スポット形成、及び近接場光発生が可能な光ファイバプローブを用いることにより、作製容易かつ簡便な構成での、微小物体の光トラップ、操作、操作後の微小物体位置の高分解能観察を可能とする光トラップ装置を提供することができる。
さらに、本実施の形態によれば、光ファイバプローブに入射する光の波長を制御する波長制御手段を備え、遮光膜透過率の高い光波長を用いることにより、遮光膜による光損失の少ない光トラップ装置を提供することができる。
さらに、光ファイバプローブの遮光膜を金(Au)とすることで、微小物体の光トラップ、操作、操作後の微小物体位置の高S/N、高分解能観察を可能とする光トラップ装置を提供することができる。
さらにまた、光ファイバプローブに入射する光の波長を、遮光膜透過率の高い光波長とすることで、遮光膜による光損失の少ない光トラップ方法を提供することができる。
As described above, according to the photodetecting device 1 (30) of the present embodiment, by further providing a configuration capable of detecting the light applied to the sample, the optical trap of the micro object, the position of the micro object after the operation, An optical trap device that enables observation can be provided.
Also provided is an optical trap device that includes wavelength control means for controlling the wavelength of light incident on an optical fiber probe, and that enables observation of a minute object position with an appropriate measurement resolution by changing the light spot diameter. be able to.
In addition, by controlling the wavelength of the light incident on the optical fiber probe and detecting the light irradiated on the sample, the optical trap that enables high-resolution observation of the micro-object optical trap and the micro-object position after the operation. It is possible to provide a method.
By using an optical fiber probe capable of forming a condensed spot of emitted light and generating near-field light with a tapered structure, it is possible to manufacture a light trap of a micro object, operation, and position of the micro object after operation with a simple configuration. It is possible to provide an optical trap device that enables high-resolution observation.
Further, according to the present embodiment, the optical trap having a light loss due to the light shielding film is provided by including the wavelength control means for controlling the wavelength of the light incident on the optical fiber probe and using the light wavelength having a high light shielding film transmittance. An apparatus can be provided.
Furthermore, by using gold (Au) as the light-shielding film of the optical fiber probe, an optical trap device that enables optical trapping and manipulation of minute objects, high S / N and high-resolution observation of the minute object position after manipulation is provided. can do.
Furthermore, by setting the wavelength of light incident on the optical fiber probe to a light wavelength having a high light-shielding film transmittance, it is possible to provide an optical trap method with little light loss due to the light-shielding film.
1、30 光トラップ装置、2 光源、4 光ファイバプローブ、5 光検出器、6 プローブ制御部(移動手段)、10 光導波部(光ファイバ)、11a 突出部の表面、12 コア、13 クラッド、14 試料盤、17 波長制御手段、18 伝搬光、19 遮光性被覆層、20 法線
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---|---|---|---|
JP2004324329A JP2006130454A (en) | 2004-11-08 | 2004-11-08 | Optically trapping device and its method |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2008006765A1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-17 | Universita' Degli Studi Di Pavia | Method and optical device for trapping a particle |
-
2004
- 2004-11-08 JP JP2004324329A patent/JP2006130454A/en active Pending
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WO2008006765A1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-17 | Universita' Degli Studi Di Pavia | Method and optical device for trapping a particle |
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